ECAP對(duì)Mg_Mn_Zn_Ce合金顯微組織及拉伸性能的影響_圖文

1、收稿日期:2006-12-18.基金項(xiàng)目:遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目(2004D012.作者簡(jiǎn)介:吳偉(1962-,男,遼寧沈陽(yáng)人,副教授,主要從事新型鎂合金開(kāi)發(fā)及加工工藝等方面的研究.文章編號(hào):1000-1646(200803-0304-04ECAP 對(duì)Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金顯微組織及拉伸性能的影響吳偉,黨振乾,吳崴,陳立佳(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng)110178摘要:為了確定擠壓路徑和擠壓道次對(duì)Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的顯微組織及拉伸性能的影響,采用不同擠壓路徑對(duì)Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金進(jìn)行了不同道次的等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP .顯微組織觀察結(jié)果表明

2、,經(jīng)一道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后,合金的平均晶粒尺寸約為20m ,而經(jīng)二道次擠壓后,平均晶粒尺寸約為2m ;不同擠壓路徑所產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果大致相同,但在不同擠壓方向上,晶粒呈現(xiàn)不同的形狀.拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨著擠壓道次的增加而提高,合金的伸長(zhǎng)率在一道次擠壓后略有提高,而在二道次擠壓后明顯下降.關(guān)鍵詞:鎂合金;等通道轉(zhuǎn)角擠壓;擠壓路徑;顯微組織;拉伸性能中圖分類號(hào):TG 14612文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AInfluence of equal channel angle pressing on microstructures and tensile properties of Mg 2

3、Mn 2Zn 2Ce alloyWU Wei ,DAN G Zhen 2qian ,WU Wei ,CHEN Li 2jia(School of Material Science and Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110178,China Abstract :In order to determine the influence of both pressing route and pass on the microstructures and tensile properties of the Mg 2M

4、n 2Zn 2Ce alloy ,equal channel angle pressing (ECAP was conducted under different pressing routes for different passes.The observation of microstructures reveals that the average grain size is about 20m after one pass of ECAP ,and about 2m after two passes of ECAP.The influence of the pressing route

5、 on the grain refinement is almost the same ,but in different pressing direction ,the grains show different morphology.The results of the tensile experiments indicate that the yield and ultimate tensile strengths of the ECAPed Mg 2Mn 2Zn 2Ce alloy get remarkably enhanced with increasing the pressing

6、 pass.The elongation of the Mg 2Mn 2Zn 2Ce alloy increases a little after one pass of ECAP while decreases significantly after two passes of ECAP.K ey w ords :magnesium alloy ;equal channel angle pressing ;pressing route ;microstructure ;tensile property等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP 是使材料通過(guò)兩個(gè)尺寸相同并具有一定相交角度的通道,在不改變材料橫截

7、面積的情況下,使材料發(fā)生劇烈塑性變形的工藝方法.與傳統(tǒng)壓力加工工藝相比,等通道轉(zhuǎn)角擠壓具有如下優(yōu)點(diǎn):不改變材料的橫截面積,只需克服試樣與模具之間的摩擦力,故只需要較小的工作壓力1.以鎂合金為例,擠壓直徑為814mm 的棒材僅需要13t 的壓力;由于橫截面積不變,因此等通道轉(zhuǎn)角擠壓可以對(duì)同一試樣進(jìn)行重復(fù)擠壓以引入更高的塑性應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)材料的反復(fù)定向、均勻剪切變形;由于可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)擠壓,且每次擠壓都引入劇烈塑性變形,因此等通道轉(zhuǎn)角擠壓具有將多晶體材料的晶粒細(xì)化至微米、亞微米乃至納米尺度的巨大潛力.例如,經(jīng)過(guò)第30卷第3期2008年6月沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Shenyang Unive

8、rsity of T echnologyVol 130No 13Jun 12008兩道次的擠壓,AZ91鎂合金的晶粒可細(xì)化至112m 2;經(jīng)過(guò)12道次的擠壓,AZ31鎂合金的晶?？杉?xì)化至1m 3;而經(jīng)過(guò)四道次的擠壓,AZ61鎂合金的晶?？杉?xì)化至015m 4.由于等通道轉(zhuǎn)角擠壓可顯著細(xì)化晶粒,因此,可有效地提高合金的強(qiáng)度及低溫韌性,甚至可實(shí)現(xiàn)超塑性變形.常規(guī)熱擠壓的商業(yè)化AZ61合金棒材在175300經(jīng)過(guò)4道次ECAP 擠壓后,其強(qiáng)度可達(dá)到350MPa 5;而AZ91合金經(jīng)過(guò)ECAP 處理后,其伸長(zhǎng)率可達(dá)到570%6;ZK40合金經(jīng)過(guò)四道次的擠壓后,其伸長(zhǎng)率達(dá)到了660%7.本文主要針對(duì)Mg 2

9、Mn 2Zn 2Ce 合金的等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝進(jìn)行研究,探討擠壓路徑和擠壓道次對(duì)合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律,以期為有效地提高M(jìn)g 2Mn 2Zn 2Ce 合金的性能提供可靠的理論依據(jù).1試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)所用材料為Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金,其化學(xué)成分為w (Mn =1%、w (Zn =1%、w (Ce =1%、w (Mg =97%.首先對(duì)合金進(jìn)行常規(guī)熱擠壓,擠壓比為351,擠壓溫度為230,然后將經(jīng)過(guò)常規(guī)熱擠壓的合金棒機(jī)加工成尺寸為14mm 80mm 的樣品以進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓.等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具中兩個(gè)通道之間的角度為90,擠壓道次為一道次和二道次,擠壓路徑為A 、Bc 、C

10、 ,擠壓溫度為250,擠壓速度為2mm/s ,采用7025高溫潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑.利用Neophot 21型金相顯微鏡觀察等通道轉(zhuǎn)角擠壓樣品的x 、y 、z 截面(如圖1所示的顯微組織,其中x 、y 、z 截面分別代表垂直于金屬流出方向的橫向截面、平行于模具出口側(cè)面的流動(dòng)截面和平行于模具出口頂面的縱向截面.在CSS 255100型高低溫電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn), 拉伸試樣標(biāo)距部分的圖1顯微組織觀察截面示意圖Fig 11S chem atic sectioning for microstructu ral observ ation尺寸為4mm 20mm ,應(yīng)變速率為0101s -1.2試驗(yàn)

11、結(jié)果分析及討論211ECAP 對(duì)顯微組織的影響經(jīng)過(guò)常規(guī)熱擠壓的Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的顯微組織如圖2所示.由圖2可以看出,在與熱擠壓方向垂直的橫截面和與熱擠壓方向平行的縱剖面上,Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金的顯微組織主要由大小不等的2Mg 晶粒構(gòu)成,且2Mg 晶?；旧蠟榈容S狀,其平均尺寸約為20m.此外,第二相粒子 .圖2未經(jīng)ECAP 處理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的顯微組織Fig 12Microstru ctu res o f M g 2M n 2Z n 2C e alloy w ithout E CAPa 1橫向b 1縱向Mg 2Mn 2Zn 2Ce 合金

12、經(jīng)過(guò)一道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后的顯微組織如圖3所示.擠壓后,在x 截面方向,晶粒的大小與未擠壓相比沒(méi)有太大的變化;但在y 截面上,晶粒明顯被拉長(zhǎng),并且細(xì)化明顯;在z 截面上,晶粒細(xì)化明顯,晶粒形狀沒(méi)有變化.ECAP 二道次擠壓后,合金的顯微組織如圖46所示,擠壓路徑依次是A 、Bc 、C.從圖中可以看出,材料經(jīng)過(guò)二道次的擠壓后,晶粒的平均尺寸為13m.晶粒均在x 截面上細(xì)化明顯,在y 截面方向晶粒被拉長(zhǎng),在z 截面上得到細(xì)化.通過(guò)比較圖4、5、6可以看出,路徑Bc 得到的等軸晶組織分布的比較均勻,并且晶粒的平均尺寸相對(duì)于路徑A 、C 較小.503第3期吳偉,等:ECAP 對(duì)Mg 2Mn 2Zn 2

13、Ce 合金顯微組織及拉伸性能的影響 圖3經(jīng)一道次ECAP 處理Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的顯微組織Fig 13Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after one pass of ECAPa 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面圖4經(jīng)路徑A 、二道次ECAP 處理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的顯微組織Fig 14Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after tw o passes of ECAP with route Aa 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面圖5經(jīng)路

14、徑B c 、二道次ECAP 處理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的顯微組織Fig 15Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after tw o passes of ECAP with route B ca 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面圖6經(jīng)路徑C 、二道次ECAP 處理的Mg 2Mn 2Z n 2C e 合金的顯微組織Fig 16Microstructures of Mg 2Mn 2Z n 2C e alloy after tw o passes of ECAP with route Ca 1x 截面b 1y 截面c 1z 截面

15、603沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第30卷根據(jù)等通道轉(zhuǎn)角擠壓過(guò)程中合金的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)可知,每經(jīng)過(guò)一個(gè)道次的擠壓,合金均可獲得很大的塑性應(yīng)變,所以可以有效地細(xì)化晶粒8.等通道轉(zhuǎn)角擠壓過(guò)程中,晶粒細(xì)化是由動(dòng)態(tài)連續(xù)再結(jié)晶所引起的,再結(jié)晶還可以導(dǎo)致等軸晶組織的均勻分布.此外,合金的初始組織結(jié)構(gòu)對(duì)等通道轉(zhuǎn)角擠壓后的微觀組織結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響.經(jīng)過(guò)熱擠壓的Mg2Mn2Zn2Ce合金其晶粒尺寸已經(jīng)得到一定程度的細(xì)化,其中存在大量的亞晶帶.經(jīng)過(guò)一道次的等通道轉(zhuǎn)角擠壓后,不穩(wěn)定的亞晶帶轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的等軸晶組織,在這一過(guò)程中,同時(shí)伴隨著由小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變的過(guò)程.隨著擠壓道次的增加,合金再次經(jīng)過(guò)劇烈的塑性變形過(guò)程,

16、晶體中大角度晶界隨之增加,從而得到被大角度晶界分割的超細(xì)晶組織.對(duì)于路徑Bc,經(jīng)過(guò)二道次的擠壓后,單元形貌恢復(fù)原狀,變形均勻;對(duì)于路徑C,雖然經(jīng)過(guò)兩道次的擠壓后單元形貌恢復(fù)了原狀,但方向相反的剪切作用導(dǎo)致剪切應(yīng)變的減弱效應(yīng),一些位錯(cuò)會(huì)相互反應(yīng)而消失,位錯(cuò)密度降低,不利于晶粒的細(xì)化;對(duì)于路徑A,在擠壓的過(guò)程中,垂直于擠壓出口方向平面上的材料形狀經(jīng)過(guò)重復(fù)擠壓會(huì)發(fā)生極大的扭曲,抑制了微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展.212ECAP對(duì)拉伸性能的影響圖7為常規(guī)熱擠壓以及經(jīng)過(guò)不同道次和路徑等通道轉(zhuǎn)角擠壓的Mg2Mn2Zn2Ce合金在室溫下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率.通過(guò)比較可以看出,隨著擠壓道次的增加,材料的抗拉強(qiáng)度和屈

17、服強(qiáng)度都明顯增加,其中一道次擠壓后,材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高非常明顯;二道次擠壓后,路徑A對(duì)強(qiáng)度的提高影響顯著,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯提高;與一道次相比,路徑Bc對(duì)強(qiáng)度的影響不是非常明顯,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度僅略有提高;而路徑C使抗拉強(qiáng)度提高明顯,但對(duì)屈服強(qiáng)度影響不是非常明顯,屈服強(qiáng)度僅略有提高.一道次擠壓后,材料的伸長(zhǎng)率明顯提高,而進(jìn)行二道次的擠壓后,材料的伸長(zhǎng)率下降明顯,其中以路徑A下降的最為明顯,其次為路徑Bc,再次為路徑C.與經(jīng)過(guò)常規(guī)熱擠壓的合金相比,經(jīng)過(guò)一道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓的Mg2Mn2Zn2Ce合金,抗拉強(qiáng)度提高了4%,屈服強(qiáng)度提高了31%.經(jīng)過(guò)二道次擠壓后,路徑A對(duì)強(qiáng)度

18、的提高影響顯著,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯提高,抗拉強(qiáng)度提高了1318%,屈服強(qiáng)度提高了5115%;路徑Bc對(duì)強(qiáng)度的影響不是非常明顯, 合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)圖7等通道轉(zhuǎn)角擠壓Mg2Mn2Z n2C e合金的拉伸性能Fig17T ensile properties of ECAPed Mg2Mn2Z n2C e alloy a1抗拉強(qiáng)度b1屈服強(qiáng)度c1伸長(zhǎng)率度僅略有提高;而路徑C使抗拉強(qiáng)度提高了11%,而對(duì)屈服強(qiáng)度影響不是非常明顯,屈服強(qiáng)度僅略有提高.經(jīng)過(guò)一道次的擠壓后,合金的伸長(zhǎng)率提高到1915%;以路徑A進(jìn)行二道次的擠壓后,合金的伸長(zhǎng)率為313%;以路徑Bc進(jìn)行二道次的擠壓后,合金的伸長(zhǎng)率為

19、918%;以路徑C進(jìn)行二道次的擠壓后,合金的伸長(zhǎng)率為1012%.鎂合金的力學(xué)性能同時(shí)受晶粒尺寸和織構(gòu)的影響.在一道次擠壓后,由于合金在等通道轉(zhuǎn)角擠壓過(guò)程中產(chǎn)生了劇烈塑性變形,因而使晶粒尺寸變小,根據(jù)Hall2Petch公式,可以得出材料的強(qiáng)度將得到提高.在拉伸過(guò)程中存在的動(dòng)態(tài)回復(fù)現(xiàn)象,導(dǎo)致了材料的應(yīng)力軟化,包括位錯(cuò)滑移和位錯(cuò)攀(下轉(zhuǎn)第332頁(yè)703第3期吳偉,等:ECAP對(duì)Mg2Mn2Zn2Ce合金顯微組織及拉伸性能的影響算法與圖形系統(tǒng)研究J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2002(1:14-16.(WAN G Fei,ZHAN G Wei,L IN Heng.Algorithm and graphics

20、system study on Interactive virtual design and simultaneous manufacturingJ.Machinery Design& Manufacture,2002(1:14-16.8張杰,梁志明.基于JAVA3D技術(shù)的參數(shù)化三維圖形設(shè)計(jì)方法J.汕頭大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,8(3:44-47.(ZHAN G Jie,L IAN G Zhi2ming.A parameterized3D graphics design based on JAVA technologyJ.Journalof Shantou University:Natu

21、ral Science Edition,2003,8(3:44-47.9黃有群,張富勇,邱雪梅.JAVA3D中視點(diǎn)功能的應(yīng)用淺析J.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4:432-434.(HUAN G Y ou2qun,ZHAN G Fu2yong,Q IU Xue2mei.An analysis of application of JAVA3D viewpoint func2 tionsJ.Journal of Shenyang University of Technolo2 gy,2007,29(4:432-434.(責(zé)任編輯:吉海濤英文審校:王溪波(上接第307頁(yè)移導(dǎo)致的再結(jié)晶和位錯(cuò)湮滅

22、過(guò)程的大量發(fā)生,也使得材料的塑性得到提高.有研究表明,擠壓溫度為250時(shí),在進(jìn)行一道次的等通道轉(zhuǎn)角擠壓過(guò)程中,合金內(nèi)部形成基面平行于擠壓方向的織構(gòu),所以當(dāng)沿?cái)D壓方向拉伸時(shí),其基面滑移系的Schimid因子近似為零而不能啟動(dòng),而棱柱面的Schimid因子較大,材料的塑性變形主要依靠棱柱面滑移和錐面孿生,因此在材料的強(qiáng)度得到提高的同時(shí),材料的伸長(zhǎng)率也略有提高;而二道次擠壓后,合金的晶粒進(jìn)一步細(xì)化,合金內(nèi)部依然存在基面平行于擠壓方向的織構(gòu),而此時(shí)基面滑移系的Schimid因子與棱柱面的Schimid因子相等,所以當(dāng)沿?cái)D壓方向拉伸時(shí),基面滑移為主要影響因素,由于在基面上沒(méi)有剪切應(yīng)力,因此難以發(fā)生基面滑

23、移,表現(xiàn)在合金強(qiáng)度的提高和伸長(zhǎng)率的下降9.3結(jié)論等通道轉(zhuǎn)角擠壓對(duì)Mg2Mn2Zn21C e合金的晶粒有明顯的細(xì)化作用.一道次擠壓后,晶粒平均尺寸為11m,而二道次擠壓后,平均晶粒尺寸為2m.等通道轉(zhuǎn)角擠壓可改善Mg2Mn2Zn2Ce合金的室溫拉伸性能.隨著擠壓道次的增加,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均得到明顯的提高;一道次擠壓可使合金的伸長(zhǎng)率略有增加,而二道次擠壓則使合金的伸長(zhǎng)率下降.參考文獻(xiàn)(R eferences:1趙美榮,許樹(shù)勤,邊麗萍.等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝有限元分析J.熱加工工藝,2005(1:31-33.(ZHAO Mei2rong,XU Shu2qin,BIAN Li2ping.Fini

24、te element ana2lysis of equal channel angular pressingJ.Hot Working Technology,2005(1:31-33.2Mathis K,Gubicza J,Nam N H.Microstructure and me2chanical behavior of AZ91Mg alloy processed by equal channel angular pressingJ.Journal of Alloys and Compounds,2005,394:194-199.3劉英,陳為平,張衛(wèi)文,等.等通道轉(zhuǎn)角擠壓后AZ31鎂合金的

25、微觀結(jié)構(gòu)與性能J.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004,32(9:50-53.(L IU Y ing,CHEN Wei2ping,ZHAN G Wei2wen,et al.Microstructure and properties of AZ31magnesium alloy with ECAPJ.Journal of S outh China University of Technology,2004,32(9:50-53.4Y oshida Y,Arai K,Itoh S,et al.Realization of high strengthand high ductility for AZ61magnesium alloy by severe warm w orkingJ.S cience and T echnology of Advanced Materials, 2005,6(2:185-194.5K im W J,An C W,K im Y S,et al.Mechanical proper2ties and microstructures of an AZ61Mg alloy produced by equal channe